活性炭在流動反應器中裂解正十二烷

　　高超音速飛行器在飛行過程中，由于摩擦熱，飛機表面溫度達到3300℃，導致結構變形、電子設備故障等嚴重問題。一般處理這類問題都是使用低溫或液態(tài)碳氫化合物燃料的各種冷卻技術，以減少高超音速飛行器的摩擦熱。基于低溫燃料(例如液態(tài)氫)的方法由于這些燃料的低密度而需要具有相對高容量的儲罐，從而導致安全問題。活性炭因其表面積大、成本低和熱穩(wěn)定性高而被用于各種工業(yè)應用。也是是催化裂化反應的先進催化劑，與使用其他催化劑相比，使用活性炭的產(chǎn)品收率更高。這是一種基于負載燃料吸熱分解的冷卻技術，使用活性炭作為催化劑進行正十二烷的分解，將活性炭涂覆在金屬泡沫上，以最大限度地提高催化分解反應的散熱性。

　　催化劑包衣程序的制備

　　將金屬泡沫切成寬3毫米、長50毫米的塊，隨后在超聲波清洗器中用丙酮清洗15分鐘。用于ZSM-5涂層的漿料含有6%的二氧化硅粘合劑、12%的NH3-ZSM-5和82%的蒸餾水。用于活性炭洗涂的漿料含有1%的分散體、2%的二氧化硅粘合劑、2%的活性炭和95%的乙二醇。將每種漿料充分混合2小時。將制備好的泡沫金屬試樣浸入漿料中10秒，在2.5bar下吹氣，并在150℃的烘箱中干燥30分鐘。將干燥的金屬泡沫浸入相同的漿料中10秒，然后在烘箱中再次干燥30分鐘。對于HZSM-5和活性炭負載40mg催化劑的洗涂循環(huán)次數(shù)為5次和10次。NH3-ZSM-5沸石洗涂在泡沫金屬上在550℃下煅燒5小時以生成HZSM-5，并將活性炭洗涂在金屬泡沫上在400℃下煅燒2小時(進一步表示為活性炭/金屬泡沫)。

　　掃描電子顯微鏡/能量色散光譜(SEM/EDS)分析

　　反應前的催化劑反應后的催化劑(450℃)和反應后的催化劑(550℃)的SEM圖像在圖1顯示。催化劑形態(tài)沒有顯著變化。在450和550℃反應后，催化劑的穩(wěn)定性得以保持。如上所述，活性炭/金屬泡沫在550℃溫度下的散熱效果最高，產(chǎn)生的焦炭量最高。在這種情況下，需要弄清楚催化劑上的焦炭堵塞了金屬泡沫的孔隙。在圖1中確認了金屬泡沫的孔沒有被阻塞(圖d-3)。

　　圖1：(a)金屬泡沫催化劑、(b)HZSM-5顆粒催化劑、(c)HZSM-5/金屬泡沫催化劑和(d)活性炭/金屬泡沫催化劑的SEM照片，反應前的催化劑(a-1、b-1、c-1、d-1)、450℃反應后的催化劑(a-2、b-2、c-2、d-2)、催化劑在550℃反應后(a-3,b-3,c-3,d-3)。

　　正十二烷裂解反應的散熱器

　　熱裂解和催化裂解產(chǎn)生的散熱片-十二烷在圖2顯示，溫度為450℃，壓力為4MPa。由于散熱器與使用的飛機冷卻技術直接相關，因此應慎重考慮。測量的散熱器值在10分鐘內(nèi)取平均值，通過將它們除以質量流量將瓦特轉換為Btu/lb單位。反應10分鐘后，HZSM-5/金屬泡沫和活性炭/金屬泡沫樣品的散熱片分別為1342和1353Btu/lb。兩種催化劑在10分鐘內(nèi)都表現(xiàn)出高散熱片。僅金屬泡沫和HZSM-5顆粒的初始散熱器分別為1243和1077Btu/lb。僅涉及金屬泡沫的反應的熱沉低于熱裂解的熱沉。由于反應溫度低，泡沫不作為金屬催化劑并占據(jù)反應空間30分鐘。HZSM-5顆粒在反應的前30分鐘內(nèi)導致最低的熱沉，因為氣體產(chǎn)率低且產(chǎn)生大量線性石蠟。相比之下，熱裂化的散熱器保持在高值30分鐘。因此，在低反應溫度下，酸和金屬催化劑均表現(xiàn)出低催化效率并占據(jù)反應空間。

　　圖2：使用功率計在450℃溫度和4MPa壓力下每10分鐘反應測定的平均吸熱。

　　在550℃溫度和4MPa壓力下正十二烷熱裂解和催化裂解過程中獲得的散熱器在圖3顯示。反應10分鐘后，活性炭/金屬泡沫和HZSM-5顆粒樣品的散熱片分別為1805和1731Btu/lb。由于氣體和液體的高屈服值，活性炭/金屬泡沫的散熱器在30分鐘內(nèi)保持高位。HZSM-5/金屬泡沫和僅金屬泡沫樣品的散熱器分別為1542和1439Btu/lb。熱裂解的熱沉在反應初期為1645Btu/lb，并在反應的前30分鐘內(nèi)迅速下降。請注意，實現(xiàn)高超音速飛行(8馬赫)的最小散熱器為1300Btu/lb。由于活性炭/金屬泡沫的散熱器在30分鐘內(nèi)超過1300Btu/lb，因此這種催化劑具有商業(yè)化的潛力。

　　圖3：在550℃的溫度和4MPa的壓力下，使用瓦特計估計每10分鐘反應的平均吸熱。

　　活性炭對正十二烷在流動反應器內(nèi)進行無催化劑的熱裂解、金屬泡沫催化的反應和涂有催化劑的金屬泡沫催化的反應活性炭/金屬泡沫樣品的最大散熱量為1805Btu/lb，其產(chǎn)氣率為72%。然而，這種催化劑也產(chǎn)生了35毫克的高焦炭量。得到的結果是活性炭/金屬泡沫體系獲得的散熱片和氣體產(chǎn)率值高于顆粒催化劑。

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